Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра

Прежде всего следует отметить, что поглощать нейтроны, не давать им возможности участвовать в цепной реакции, невыгодно, если мы заботимся о мощности установки, т. е. хотим от единицы массы ядерного горючего получат как можно больше энергии в одну секунду. А вот замедлить нейтроны до тепловых скоростей — превратить «быстрые» нейтроны, образующиеся при развале ядра, в «медленные» — вот это весьма полезно для повышения эффективности работы котла, ибо ядра урана-235 поглощают медленные нейтроны с много большей вероятностью.

Если не говорить об опытных конструкциях, не вышедших за пределы лаборатории, то можно сказать, что в качестве замедлителя использовалась либо тяжелая вода, либо обычная вода. Тяжелая вода хороша тем, что она совсем не поглощает нейтронов. Но замедляет нейтроны она значительно хуже обычной.

Итак, самый простой, казалось бы, путь состоит в выделении изотопа уран-235. Мы уже говорили, что осуществление такого выделения будет стоить огромных денег. Ведь химические способы не годятся: речь идет о веществах, тождественных по своим химическим свойствам.

Наиболее рентабельным полагают сейчас метод центрифугирования. Перед тем как приступить к этой операции, надо получить какое-либо газообразное соединение урана. Единственным таким соединением, находящимся в газообразном состоянии при обычных температурах, является гексафлуорид урана. Различие в массах молекул газа, содержащих изотопы уран-238 и уран-235, столь незначительно, что лучшая центрифуга обогащает газ более легкими молекулами всего лишь на 12 %. Для того чтобы получить уран, содержащий 3 % изотопа уран-235 (такое топливо уже удобно использовать в ядерном реакторе), процесс надо повторить 13 раз. Ясно, что получение чистого изотопа уран-235 нельзя рассматривать как верное решение инженерной задачи.

Но имеется и другое, пожалуй, еще более важное соображение. Без урана-235 мы не превратим основную массу урана, а также торий в ядерное горючее. Вот поэтому мы и назвали их потенциальным горючим. Что же касается самого изотопа уран-235, то это топливо оттянет момент наступления энергетического голода на какие-нибудь сотни лет. Следовательно, если полагать, что человечество должно долгие столетия пользоваться ядерным горючим, то надо пойти другим путем.

Ядерное горючее можно производить в реакторе! В реакторе мы можем производить, во-первых, плутоний-239, который получается из урана-238, и, во-вторых, уран-233, получающийся из тория-232. Но начать дело без урана-235 никак нельзя.

Реакторы, производящие энергию и одновременно создающие новое горючее, называются бридерными. Можно добиться такой ситуации, когда реактор будет производись нового топлива больше, чем он потребляет, т. е., как говорят, сделать коэффициент воспроизведения большим единицы.

Итак, технически осуществимые пути использования всех запасов урана и тория нам известны. Следовательно, топлива, которым мы умеем пользоваться, хватит, по самым скромным оценкам, на многие тысячи лет.

И всё же… Приобщение к топливу урана и тория не решает принципиальную задачу освобождения человечества от энергетического голода — запасы минералов в земной коре ограничены.

Другое дело термоядерная реакция. Если удастся осуществить управляемый синтез легких ядер, добиться того, чтобы реакция поддерживала себя, то тогда мы действительно сможем сказать, что решили энергетическую проблему. Сколь реалистично решение этой задачи? В самое последнее время физики научились получать водородную плазму, находящуюся при температуре около 60 млн. кельвинов. Термоядерная реакция происходит при этой температуре. Но как сделать эту реакцию самоподдерживающейся, как осуществить термоядерный реактор — этого мы еще не знаем.

В Мировом океане запасено столько термоядерной энергии, что ее хватит для покрытия всех энергетических потребностей человечества в течение времени, превышающего возраст Солнечной системы. Вот уж действительно безграничный источник энергии.

Разговор о топливе окончен. Теперь перейдем к рассмотрению устройств, с помощью которых топливо заставляют работать.

ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Разумеется, можно привести много примеров, когда непосредственное использование энергии не связано с получением электрического тока. Горит газ на кухне вашей квартиры, вздымается в небо ракета, движущаяся за счет отдачи продуктов сгорания топлива, да и старинные паровые двигатели кое-где находят себе применение. В ряде случаев целесообразно непосредственно превращать в движение и энергию, которую дают такие даровые источники, как ветер.

Но в подавляющем большинстве случаев нам нужен электрический ток. Нужен для того, чтобы давать свет, необходим для питания электрических двигателей, для создания электрической тяги, для обеспечения работы электросварочных и нагревательных печей, для зарядки аккумуляторов… И во всяком случае сегодня мы не мыслим, себе иной передачи энергии на расстоянии, как при помощи электрического тока. Поэтому, вероятно, не будет преувеличением сказать, что главной героиней техники по-прежнему остается электростанция.